壓鑄模具鋼熱疲勞性能影響范文

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壓鑄成形是一種高效的金屬近凈成形工藝，熔融金屬在高速下充填模具型腔并在一定壓力下凝固成型．壓鑄模具是壓鑄工藝中的關(guān)鍵部件，由于在工作過程中反復(fù)受到熾熱金屬和冷卻介質(zhì)（水、油、空氣）冷熱循環(huán)交替的作用，要求壓鑄模具有較高的耐熱疲勞、沖擊韌性、紅硬性及良好的脫模性等［1－2］．表面處理是增強(qiáng)熱作模具鋼的抗熱疲勞性能、提高模具使用壽命和降低生產(chǎn)成本的一個(gè)重要方法，傳統(tǒng)的氮化處理、電火花表面強(qiáng)化、異種金屬堆焊、物理和化學(xué)氣相沉積等方法雖然可在一定程度上提高模具的使用壽命，但也存在成本高、處理工藝復(fù)雜及周期長等缺點(diǎn)，或者模具處理后過回火、鍍層與基體硬度梯度大、強(qiáng)化處理痕跡易復(fù)制到壓鑄件表面等問題，在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的限制［3－6］．本研究采用Nb∶YAG激光器在淬火及回火后的Dievar壓鑄模具鋼表面局部進(jìn)行熔凝強(qiáng)化（為便于分析，激光熔凝強(qiáng)化區(qū)域簡(jiǎn)稱強(qiáng)化單元體），在不改變模具鋼表面原始化學(xué)成分的條件下，實(shí)現(xiàn)模具表面的自強(qiáng)化，并通過熱疲勞試驗(yàn)對(duì)激光熔凝強(qiáng)化單元體的組織結(jié)構(gòu)和阻裂性能等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)．

1試驗(yàn)材料與方法

1．1試驗(yàn)材料及激光加工制備工藝試驗(yàn)所用材料為Dievar鋼，各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為w（C）＝0．38％，w（Si）＝0．24％，w（Cr）＝5．12％，w（Mo）＝2．40％，w（V）＝0．62％，余量為Fe．材料為淬火＋回火態(tài)，硬度（HRC）為45～47．熱疲勞試樣尺寸為30mm×20mm×4mm，在試樣長邊中間位置切60°角V型口，并在V型口底部預(yù)制寬200μm、長1．5mm的裂紋．試樣表面經(jīng)機(jī)械拋光、超聲清洗，干燥后在WF－300脈沖YAG激光器上按設(shè)定的工藝參數(shù)加工出強(qiáng)化條紋．具體工藝參數(shù)如下：聚焦透鏡焦距f為100mm，電流為130A，頻率為5Hz，脈寬為8ms，離焦量為6．5mm，激光掃描速度為0．5mm／s．

1．2熱疲勞試驗(yàn)及分析方法熱疲勞試驗(yàn)在自約束高頻感應(yīng)加熱疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加熱時(shí)間為3．0s，溫度為（550±5）℃，然后噴水冷卻，冷卻時(shí)間為4．5s，冷卻后溫度為（220±5）℃．從工程實(shí)際出發(fā)，本次試驗(yàn)以激光強(qiáng)化處理后試樣和未處理試樣的疲勞裂紋走向以及裂紋總長度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)．先冷、熱循環(huán)400次，然后每300次為一循環(huán)周期，冷熱循環(huán)2500次結(jié)束試驗(yàn)．每次冷熱循環(huán)后用5％的稀鹽酸除去試樣表面氧化物再機(jī)械拋光，并用NikonMA－100型金相顯微鏡測(cè)量、分析疲勞裂紋擴(kuò)展方向以及裂紋總長度，在Quanta200掃描電子顯微鏡上觀察疲勞裂紋前端形貌及激光熔凝后材料的微觀組織．

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1顯微組織與成分Dievar模具鋼激光熔凝強(qiáng)化后可分為基體、熱影響區(qū)和熔凝區(qū)三部分．基體組織由鐵素體和珠光體組成，熱影響區(qū)位于基體與熔凝區(qū)之間，要由粗大的回火屈氏體和回火馬氏體組成，熔凝區(qū)組織（圖1（a））為隱晶馬氏體和殘余奧氏體［7－8］．由于激光加熱和冷卻速度極快，使熔凝區(qū)組織大大細(xì)化，馬氏體亞結(jié)構(gòu)位錯(cuò)密度、硬度大幅度提高．圖1（b）為熱循環(huán)2500次后熔凝區(qū)的微觀組織，相比于熱循環(huán)前熔凝區(qū)組織略有粗化，但胞狀晶粒仍較為細(xì)小，而且未見塊狀第二相析出，這表明熔凝區(qū)組織具有較強(qiáng)的抗回火能力．圖2所示為試樣熔凝區(qū)內(nèi)主要合金元素分布線分布情況（M為聚集率，D為深度），從譜線可以看出從試樣表面到基體主要合金元素C，Si，V，Cr，F(xiàn)e及Mo等基本無明顯波動(dòng)，分布較為均勻．其主要原因是高能量激光使得Dievar模具鋼回火組織重新熔化、結(jié)晶，合金元素在快速冷卻過程中來不及析出和擴(kuò)散而固溶到基體中，因而凈化了合金組織．

2．2熱疲勞性能為研究方便，定義裂紋最長且最寬的作為主裂紋，其他分支裂紋作為次裂紋．當(dāng)計(jì)算裂紋長度時(shí)，裂紋的長度為主裂紋和次裂紋之和，但不包括預(yù)制裂紋長度．由圖3裂紋長度（l）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出：在開據(jù)可以始的3個(gè)熱循環(huán)周期（T）內(nèi)，疲勞裂紋的擴(kuò)展速度基本一致；經(jīng)過1000次熱循環(huán)后，雖然兩種試樣中疲勞裂紋的總長度都在增加，但激光熔凝強(qiáng)化試樣中的擴(kuò)展速度明顯比未處理試樣慢．圖4所示為激光熔凝強(qiáng)化試樣和未強(qiáng)化試樣經(jīng)過2500次冷熱循環(huán)后的裂紋形貌，可以看出經(jīng)激光熔凝強(qiáng)化后，疲勞裂紋的寬度和總長度均小于未處理樣品，在靠近強(qiáng)化單元體附近疲勞裂紋有明顯的停滯、轉(zhuǎn)折和延遲擴(kuò)展的現(xiàn)象．一般情況下裂紋總會(huì)向著消耗能量最小方向擴(kuò)散，即向著最容易擴(kuò)展的方向生長．由于激光熔凝區(qū)的組織高度細(xì)化，即使熱循環(huán)后組織依然較為細(xì)密，疲勞裂紋在擴(kuò)展過程中需要更多的能量．熔凝強(qiáng)化試樣中裂紋發(fā)生分枝和偏折行為均是為了避開熔凝強(qiáng)化區(qū)的阻攔作用，以最小的能量前進(jìn)．圖5為激光熔凝強(qiáng)化試樣和未強(qiáng)化試樣疲勞裂紋的前端形貌．由于強(qiáng)化區(qū)域的阻滯，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展至激光熔凝強(qiáng)化區(qū)時(shí)，裂紋前端變得較為圓鈍，宏觀上反映出裂紋的擴(kuò)展速率降低；而未強(qiáng)化處理的試樣，疲勞裂紋前端較為尖銳，抵抗應(yīng)力集中的能力不強(qiáng)，宏觀上反映出裂紋的增長速度較快．熔凝單元體高的抗熱疲勞性能主要源于材料內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)的變化，在高能束激光照射到材料表面及隨后的自冷過程中，短時(shí)間內(nèi)激熱（1×104～1×106℃／s）和激冷（1×104～1×108℃／s）導(dǎo)致相變驅(qū)動(dòng)力ΔGα→γ非常大，高溫區(qū)使奧氏體大量形核的同時(shí)又抑制了奧氏體晶粒的生長，中溫區(qū)超細(xì)晶粒的奧氏體在相變驅(qū)動(dòng)力作用下必然轉(zhuǎn)變成超細(xì)化的馬氏體組織．由于奧氏體的比容大于馬氏體的比容，因此在相變過程中材料體積膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力，使得表層殘余應(yīng)力場(chǎng)向著壓應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變．殘余壓應(yīng)力阻礙了疲勞裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而形成非擴(kuò)展性裂紋，并且大幅提高疲勞裂紋的閉合力．同時(shí)，快速冷凝形成的大量超細(xì)化晶粒內(nèi)部有比常規(guī)熱處理更多的晶界和更高的缺陷（馬氏體大量位錯(cuò)、孿晶等）密度，均能阻礙裂紋形核及增加裂紋擴(kuò)展所需的能量［15］，減少材料內(nèi)部沿裂紋斷裂的傾向，進(jìn)一步提高材料的耐撕裂能力．因此，裂紋擴(kuò)展到強(qiáng)化單元體處，或者停止擴(kuò)展，或者被迫改變方向．

3應(yīng)用實(shí)例

圖6所示為某鋁合金汽車雨刷支架壓鑄模使用一段時(shí)間后模具表面產(chǎn)生熱疲勞裂紋的情況，模具材料及熱處理工藝與前述熱疲勞試樣完全相同，壓鑄件材料為ZL102，澆注溫度為660℃．當(dāng)未經(jīng)過激光熔凝處理的模具使用到2．5×104模次左右時(shí)，模具深腔小圓弧過渡角處出現(xiàn)熱疲勞裂紋，導(dǎo)致鑄件表面質(zhì)量不合格．針對(duì)壓鑄模表面易產(chǎn)生裂紋位置和裂紋走向，在模具局部表面進(jìn)行激光熔凝處理，然后再去除最表層（約0．1mm）．裝機(jī)試用過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光熔凝處理的模具使用達(dá)到3×104模次時(shí)，表面狀態(tài)依然完好，當(dāng)達(dá)到3．8×104模次以上時(shí)型腔薄弱部位才出現(xiàn)較為明顯的疲勞開裂．

4結(jié)論

a．壓鑄模具鋼激光熔凝強(qiáng)化后，熔凝區(qū)組織大為細(xì)化，合金元素分布均勻，強(qiáng)化單元體對(duì)熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展有明顯延遲和阻斷作用．b．本試驗(yàn)條件下，經(jīng)激光熔凝處理后的汽車雨刷支架壓鑄模具使用壽命由原來的2．5×104模次提高到3．8×104模次．

作者：李繼強(qiáng) 胡樹兵 史華亮 賈志欣 單位：中國地質(zhì)大學(xué)<武漢>工程學(xué)院